許慶平,朱 寧,陸曉淳,周 明,李 丹

(蘇州電加工機床研究所有限公司,江蘇蘇州215011)

隨著微小零件和模具的發(fā)展,人們對微細(xì)加工的要求不斷提高,單向細(xì)絲電火花線切割加工因其具有切縫窄、精度高、工件表面粗糙度值低、無切削力、不受材料硬度限制等優(yōu)點,正被越來越多的用戶選用。通常,當(dāng)電火花單向走絲加工采用的電極絲直徑小于0.07 mm時,可被認(rèn)為是細(xì)絲切割。目前,國外已有采用直徑0.02 mm電極絲的單向走絲電火花線切割機床。

采用微細(xì)絲進行微精加工時,放電能量非常微弱,加工間隙很小,運絲速度和張力的細(xì)微變化都會引起絲位移或振動,導(dǎo)致加工表面的品質(zhì)惡化,甚至?xí)斐擅黠@的條紋。微細(xì)電極絲所能承受的張力有限,對運絲系統(tǒng)的性能要求遠(yuǎn)高于常規(guī)低速走絲電火花線切割機床。隨著電極絲直徑與放電能量的大幅減小,放電過程及其作用機理都發(fā)生了本質(zhì)的變化,加工過程的穩(wěn)定性和質(zhì)量對于微細(xì)電極絲張力與絲速的變化等變得異常敏感。要實現(xiàn)高性能的精密微細(xì)加工,首先就必須研究微細(xì)絲單向走絲線切割機床的張力系統(tǒng)。

1 典型單向走絲電火花線切割機床運絲張力系統(tǒng)簡析

目前單向走絲電火花線切割機床運絲張力系統(tǒng)主要有以下兩種方式:

(1)常規(guī)單向走絲電火花線切割運絲系統(tǒng)(圖1)。電極絲由速度輪牽引移動,并由速度電機控制速度,電極絲張力由另一個張力輪實現(xiàn)。張力電機可為磁粉制動器,也可為力矩電機等。前者是通過調(diào)節(jié)阻尼大小來實現(xiàn)的,類似于水平拖動物體移動;后者是通過力矩電機的反向扭矩大小來完成張力調(diào)節(jié)的,類似于向上提升物體。其優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)簡單、成本低,缺點是由于電極絲筒排絲不均勻,進入張力輪之前的電極絲的張力波擾動較大,影響了運絲張力系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

圖1 常規(guī)運絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(2)如圖2所示,在圖1方案的基礎(chǔ)上,在運絲張力系統(tǒng)前增加了一套重錘機構(gòu),即系統(tǒng)有二次張力控制,其目的是為了將因電極絲筒排絲不均勻而產(chǎn)生的張力波動隔離掉,進而提高進入加工區(qū)的張力穩(wěn)定性。放絲電機將電極絲從電極絲筒中拉出,旋轉(zhuǎn)速度由重錘的高低擺動位置來確定。當(dāng)重錘升高時,控制放絲電機轉(zhuǎn)速加快;下降時,控制放絲電機轉(zhuǎn)速減小。由此,當(dāng)重錘慣量設(shè)計得足夠小時,第二次的張力變得基本恒定,約為重錘重量的1/2。

圖2 二次張力控制運絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上述兩個方案的運絲張力系統(tǒng)存在的問題是:

(1)由于張力輪或張力壓輪有變形能量的損耗,再加上眾多輪系摩擦力矩等因素,其初始張力(也稱系統(tǒng)張力,即張力電機設(shè)定為零時測出的電極絲運絲張力)要達(dá)到2 N左右,且是不可控的。對于直徑0.15～0.3 mm的普通電極絲,加工張力一般設(shè)定在10 N左右,初始張力在其中只占了1/5左右,其變化量基本可以接受。而對于細(xì)絲切割而言,由于放電能量小,放電間隙也很小,單個μm甚至更小振幅的振動都有可能導(dǎo)致放電火花的不連續(xù),產(chǎn)生加工條紋。所以運絲系統(tǒng)張力的波動必須嚴(yán)格控制。另外,因電極絲直徑細(xì)、抗拉強度低,加工張力一般只能設(shè)定≤3 N,幾乎和初始張力相當(dāng),張力變得無法調(diào)節(jié)。

(2)張力執(zhí)行機元件(如磁粉制動器或力矩電機、驅(qū)動電路等)受溫度、濕度、干擾等自身質(zhì)量和環(huán)境因素的影響,扭矩的輸出是非線性的,也是不穩(wěn)定的。

因而這兩種方案不被細(xì)絲切割運絲張力系統(tǒng)所選用。

2 微細(xì)絲單向走絲電火花線切割機床運絲張力系統(tǒng)研究

2.1 重錘機構(gòu)張力控制系統(tǒng)

為了克服上述運絲張力系統(tǒng)的缺點,在微細(xì)絲單向走絲電火花線切割機床上直接選用重錘機構(gòu)來實現(xiàn)電極絲的張力控制(圖3)。該運絲張力系統(tǒng)的運絲原理較簡單,其優(yōu)點是:運絲系統(tǒng)張力只和重錘的質(zhì)量有關(guān),是重錘重量的1/2,與系統(tǒng)其他元件無關(guān);系統(tǒng)的初始張力可以做得很小,因而張力穩(wěn)定性高。

由于電極絲具有一定的彈性模量,故可把該運絲系統(tǒng)簡化成如圖4所示的力學(xué)模型(忽略過渡輪旋轉(zhuǎn)慣量,并將M回轉(zhuǎn)運動近似看成直線運動)。

圖3 運絲張力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 運絲張力系統(tǒng)力學(xué)模型

該系統(tǒng)的彈性剛度K為:

式中:D為電極絲直徑;E為電極絲彈性模量;L為電極絲在張力區(qū)內(nèi)的長度之和。

該系統(tǒng)的固有頻率 ω為:

式中:M為重錘質(zhì)量。

當(dāng)張力系統(tǒng)受到瞬態(tài)振動力輸入時,重錘會發(fā)生上下振動,張力穩(wěn)定性被破壞。該瞬態(tài)力可由地基等走絲系統(tǒng)外振動因素傳入,也可因自身在初始放電時電極絲受熱瞬間伸長而引起。重錘的振動幅度因阻尼系數(shù)C的不同,可存在2種狀況(圖5)。

圖5 重錘張力系統(tǒng)受擾動時重錘振動的瞬態(tài)響應(yīng)

當(dāng)張力運絲系統(tǒng)受到輪系跳動精度等周期性的強迫振動,或速度電機和放絲電機之間閉環(huán)控制可能發(fā)生的振蕩,重錘的振動幅度也會因頻率比和阻尼比的不同出現(xiàn)多種結(jié)果(圖6)。

圖6 重錘的振動幅度與頻率比、阻尼比的關(guān)系

上述現(xiàn)象均不利于運絲系統(tǒng)的張力恒定,惡化了放電加工性能甚至?xí)饠嘟z。

2.2 重錘機構(gòu)張力控制系統(tǒng)的優(yōu)化

從式(2)可看出,減小 M 可提升系統(tǒng)的固有頻率,但重錘質(zhì)量是根據(jù)電極絲加工所需的張力來設(shè)定的,不能隨意減小。經(jīng)研究得出的解決方法見圖7。

(1)在重錘上并聯(lián)一個較大阻尼C2,吸收系統(tǒng)外振動力等因素引起的重錘振動,提高張力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)在重錘和電極絲之間加裝一個小質(zhì)量的彈簧K1,使其不但能補償電極絲瞬間伸長而引起的位移量,同時還能基本保持張力恒定。為了防止該彈簧因本身剛度帶來的振動,設(shè)計時在其上并聯(lián)一個較小的阻尼C1,來吸收周期性的強迫振動。

圖7 改進的張力系統(tǒng)力學(xué)模型

圖8是實際研發(fā)的微細(xì)絲運絲機構(gòu)圖,走絲速度由速度輪后面的AC交流伺服電機閉環(huán)控制,由計算機控制無級變速。放絲速度快慢由放絲輪后面的AC交流伺服電機根據(jù)角位移傳感器位置的變化進行閉環(huán)控制,使電極絲的張緊力和運絲速度保持恒定,進而提高加工過程的穩(wěn)定性,降低斷絲概率,并保持切縫寬度的一致性。收絲輪由軟特性電機驅(qū)動,用于纏繞經(jīng)過加工區(qū)放電后的廢銅絲。廢絲先通過排絲輪,排絲輪在AC電機及凸輪傳動下實現(xiàn)往復(fù)運動,使絲在收絲輪上較均勻排列。斷絲時,斷絲保護開關(guān)釋放,數(shù)顯屏上顯示斷絲報警,電源被切斷。

圖8 微細(xì)絲運絲系統(tǒng)圖

3 實際效果

上述重錘機構(gòu)運絲張力系統(tǒng)方案已用于國家863重大數(shù)控專項科技項目“高效、精密電加工技術(shù)與裝備”細(xì)絲切割項目中,且效果良好:

(1)微細(xì)齒輪加工(圖9a):齒數(shù)8,模數(shù)0.2 mm,厚度1 mm。

(2)噴絲板 Y孔型加工(圖9b):縫寬0.069 mm;厚度0.5 mm。

(3)集成電路框架加工(圖9c):厚度5 mm,引腳縫寬0.13 mm,材料W18Cr4V。

(4)螺旋線加工(圖9d):縫寬0.07 mm,工件厚度0.5 mm。

圖9 切割實樣

4 結(jié)語

運絲張力系統(tǒng)是單向走絲電火花線切割機床的重要組成部分,其性能的優(yōu)劣直接影響機床的加工效率及穩(wěn)定性,特別是對工件表面加工條紋的深淺起著關(guān)鍵的作用,在細(xì)絲切割上表現(xiàn)尤為突出。典型的二次張力控制運絲系統(tǒng)在普通的單向走絲電火花線切割機床上可得到很好的應(yīng)用,但因其初始張力較大,不適合工作于微張力控制的微細(xì)絲單向走絲電火花線切割機床。經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重錘機構(gòu)張力控制系統(tǒng),可較好地滿足微細(xì)絲單向走絲電火花線切割機床對電極絲張力控制范圍的要求。